(57)【要約】【課題】  光造形模型をマスターとして使用して鋳型を形成するための新規な方法の提供。【解決手段】  光造形模型を用いた鋳型の形成方法であって、ａ）光造形模型をマスターとして使用して、模型を内包する鋳型を形成する工程、ｂ）該模型と、有機溶剤および無機酸化剤溶液からなる群から選択される溶剤とを接触させる工程、およびｃ）該模型が溶解される前に模型を鋳型内から除去する工程、を含む方法。【選択図】なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
光造形模型を用いた鋳型の形成方法であって、
ａ）光造形模型をマスターとして使用して、模型を内包する鋳型を形成する工程、
ｂ）該模型と、有機溶剤および無機酸化剤溶液からなる群から選択される溶剤とを接触させる工程、および
ｃ）該模型が溶解される前に模型を鋳型内から除去する工程、を含む方法。
【請求項２】
溶剤が、クロロホルム、ジクロロメタン、およびＤＭＦからなる群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項３】
該模型を除去した後に、型を焼結する工程をさらに含む、請求項１または２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光造形模型を用いた鋳型の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光造形模型を用い鋳造用鋳型を作製する方法としては、光造形模型の周囲にセラミックシェルを形成し、光造形模型を燃焼により消失させ、鋳型を作製する方法が知られている。この方法については、精密鋳造メーカー、光造形装置メーカー、光造形模型サービスビューロー等各方面で研究が行われてきた。
しかし、光造形模型を内包する鋳型を焼成し模型を消失させる際に、樹脂の膨張、燃焼ガス圧等の要因により、鋳型が破損してしまうという課題があった。そこで、光造形模型内部をハニカム化したり、模型をワックスで作製する場合と比較してセラミックシェルを厚くするなどの対策が試みられているが、課題は完全に解決されてはいなかった。
【０００３】
また、特開平９−６６３４４号には、中空の光造形樹脂マスターを使用し、鋳型の成型後に該マスター内部を真空にして容積を減少させ、マスターを鋳型から除去する方法が記載されている。しかし、この方法では真空にした際の変形に伴ってマスターが破壊しないことが必要とされるので、マスターに使用できる材質は柔軟なものに限定され、さらにマスターの厚みの決定にも注意が必要であった。さらにマスターが型から剥離する際に内部表面に欠陥を生ずる恐れもあった。さらに、形状によってはこの方法が適当ではない場合もあった。
さらに、特開平８−１０８２４５号には、硬質樹脂製模型にセキなどを取り付けたものをを型組立体として使用し、鋳型形成後に有機溶剤を用いてこれを溶解除去する方法が記載されている。かかる方法では樹脂として熱可塑性樹脂が例示され、実施例においては塩化ビニルが使用されている。しかし、成形された樹脂を溶解できる溶剤の種類は限られており、また実施例では溶解に約１日半もの長時間を要したことが記載されている。
本発明で使用される光造形模型にはウレタンアクリレ−ト系、エポキシアクリレ−ト系などの耐溶剤性に優れた溶解性の不良な樹脂が使用されているため、溶剤で樹脂を溶解することは困難であり、かかる方法は採用できなかった。
【特許文献１】特開平９−６６３４４号
【特許文献２】特開平８−１０８２４５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決し、光造形模型をマスターとして使用して鋳型を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、模型を形成する樹脂を完全に溶解しなくても、模型を鋳型から取り出せることを見いだし、完成された。
本発明は、光造形模型を用いた鋳型の形成方法であって、
ａ）光造形模型をマスターとして使用して、模型を内包する鋳型を形成する工程、
ｂ）該模型と、有機溶剤および無機酸化剤溶液からなる群から選択される溶剤とを接触させる工程、および
ｃ）該模型が溶解される前に模型を鋳型内から除去する工程、を含む方法を提供する。
光造形模型の作製方法は公知であるが、概略すれば、３次元ＣＡＤ上で入力された３次元ソリッドデータをＳＴＬフォーマットに変換した後、積層厚みにスライスして断面データを作成し、このデータに基づき、液状の光硬化性樹脂に紫外線レーザー光等を照射して選択的に硬化させ、一層ずつ積層することにより所望形状の３次元立体模型を得る方法である。
上記樹脂は市販されており、一般的にはウレタンアクリレ−ト系、エポキシアクリレ−ト系、エステルアクリレ−ト系、アクリレ−ト系、エポキシ系、およびビニルエーテル系のものが使用できる。
【０００６】
本発明においては、かかる光造形模型をマスター模型として使用してインベストメント鋳造法による鋳型が形成される。
光造形模型をマスターとして使用して模型を内包する鋳型を形成する方法は公知である。典型的には、水性シリカゾルおよび／またはエチルシリケートなどのバインダー、並びにジルコン、アルミナ、溶融石英、ムライト、シャモットなどのフィラーを含むスラリー中に模型をデッピングし、その後スラリーが乾かない内に砂を振りかけるサンディングまたはスタッコイングと呼ばれる処理を行った後、乾燥する。通常、この３工程をまとめてコーティング処理と呼ばれる。かかるコーティング処理を繰り返すことにより、鋳型材の厚さを所定の厚さまで厚くし、模型をマスターとして内包する鋳型が形成される。
また、石こうに水を加えて作製したスラリーを光造形模型の周囲に流し込んで硬化させて鋳型を作製することも可能である。
【０００７】
本発明においては、鋳型形成後、内部の模型を、有機溶剤および無機酸化剤溶液からなる群から選択される溶剤と接触させる。本発明においては、模型を形成する樹脂を膨潤または分解劣化させることのできる溶剤であれば任意のものが使用できる。
本発明で使用できる有機溶剤としては、たとえば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素、メタノール、プロパノール、ブタノール、シクロヘキサノールなどのアルコール、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ペンチル、酢酸セロソルブ、乳酸ブチルなどのエステル、セロソルブ、ブチルセロソルブなどのエーテル、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエチレン、１，１，２，２‐テトラクロロエタン、トリクロロエチレンなどのハロゲン系溶剤、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、１−メチル−２−ピロリドン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、スチレンモノマー、１，３ジオキソラン、１，３−ジオキサシクロペンタン、γ−ブチロラクトン、γ−ヒドロキシ酪酸ラクトン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）などのその他の溶剤があげられる。
模型と溶剤とを接触させる方法は任意であり、たとえば溶剤の鋳型内への注入などにより行うことができる。本発明において、特に好ましい溶剤は、クロロホルム、ジクロロメタン、およびＤＭＦである。
【０００８】
本発明で使用できる無機酸化剤溶液としては、たとえば硫酸、硝酸、および塩素酸の水溶液、並びに過マンガン酸、二クロム酸、およびその塩、たとえばナトリウム塩またはカリウム塩の水溶液またはアルカリ溶液があげられる。本発明において好ましい無機酸化剤溶剤は、硫酸または硝酸の水溶液および過マンガン酸カリウムの水酸化ナトリウム水溶液である。
本発明においては、模型が溶解される前に模型を鋳型内から除去する。上記のように光造形模型にはウレタンアクリレ−ト系、エポキシアクリレ−ト系などの耐溶剤性に優れた溶解性の不良な樹脂が使用されているため、溶剤で樹脂を完全に溶解することは困難である。しかし、模型を溶剤により膨潤または分解劣化させた後、鋳型を振動させるなどして機械的な力を加えることにより樹脂を小さくし、型外に除去することができる。また、型の形状によっては、溶剤を適当に蒸発させ、適度な膨潤状態にすると、模型を破壊せず、そのまま抜き取ることもできる。
溶剤と接触させる時間および温度は特に規定するものではなく、当業者の適宜決定できる事項である。たとえば樹脂としてエポキシアクリレート系のものを使用し、溶剤としてクロロホルムを使用した場合には室温で３０分から１時間後には樹脂をばらばらにすることができ、型内から容易に除去することができる。また、同じ樹脂に対して溶剤としてＤＭＦを使用した場合には、室温で約３時間後には樹脂をばらばらにすることができ、型内から容易に除去することができる。
本発明においては、樹脂を溶解しないので、溶剤の使用量が少なくて良いという利点も有する。一般に光造形模型をマスターとして使用する場合、中空またはハニカム構造のものが使用されるが、本発明において使用される溶剤の量は、模型の中空な内部を満たす量で十分である。後述の実施例において明確に示されるように、使用される溶剤の量が非常に少ない点において本発明は顕著な効果を奏するものである。
【０００９】
本発明においては、模型樹脂を型外に除去した後に、型を加熱して樹脂の残査を焼失させ、完全に除去することが好ましい。光造形模型の材質および形状、溶剤の種類および接触時間によっては、完全に樹脂を除去することが困難な場合があるが、本発明においては、光造形模型を構成する樹脂が溶剤により膨潤され、または分解劣化されているため、燃焼しやすくなっており、膨張やガスの発生などによる型の破損を生ずる危険が著しく低減される。
【００１０】
本発明の方法は、金属の鋳造品の他、複雑形状のセラミックス部品や粉末金属成形品を作製する手法としても有効であり、たとえばターボチャージャーのインペラ、異形管、および階段形状の物品の製造に有用である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法により、鋳型を破損する危険性が大きく低減された。そのため、光造形模型の周囲の鋳型材もそれほど強固である必要が無くなる。すなわち、周囲がセラミックシェルの場合は層の厚さを薄くすることができ、砂型（水ガラスを粘結剤とするＣＯ２型等）の場合も周囲の鋳物砂の量を少なくすることができる。本発明においては、典型的には従来は１０回程度が必要であったコーティング処理が３回程度ですみ、そのため、著しい時間の短縮およびコストの削減を達成することができる。
さらに、本発明において使用される溶剤の量は非常に少なく、製造コストを低減するともに、作業環境の安全、作業員の健康、および地球環境の保護に資する。
【実施例】
【００１２】
実施例１
有機溶剤と無機酸化剤溶液により、樹脂と接触させた場合の挙動について調べた。
光造形装置として、３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社製，ＳＬＡ３５００を使用し、樹脂としてエポキシ樹脂（バンティコ社製，ＳＬ７５６０）を使用して光造形模型を作成した。造形の積層ピッチは０．１５ｍｍで、造形後、表裏各１時間ポストキュアを行った。得られた模型から試験片を切り出し、以下の実験を行った。
無機酸化剤溶液として硫酸（９８％、８０％）、過マンガン酸カリウム溶液（４０ｇ／Ｌ）を用い、光造形模型の板（１０×２０×２ｍｍ）を浸漬して、重量変化を求めた。なお、重量測定は溶剤から取り出した後、４０℃で２時間乾燥した後に行った。結果を表１に示す。
【００１３】
【表１】
2005349413.tif 000002
＊ＫＭｎＯ４は、１Ｍ  水酸化ナトリウム溶液中
【００１４】
有機溶剤については、内部をハニカム形状にした光造形模型（φ５×６０ｍｍ）を有機溶剤に浸漬し、形状の変化を観察した。結果を表２に示す。表中の数字は評価結果を表し、１はやや形状の変化があったこと、２はかなり形状の変化が見られ、屈曲したり２分したりしたこと、３は原型を留めず樹脂がばらばらになっていたことを示す。また４は変化が無かったことを示す。
【００１５】
【表２】
2005349413.tif 000003
【００１６】
また、ウレタンアクリレート系の樹脂を用いて光造形模型を作成し、有機溶剤に浸漬し、形状の変化を観察した。溶剤としてクロロホルム、ジクロロメタン、アセトン、メタノール、およびＤＭＦを使用し、１２時間光造形模型を浸漬した。クロロホルム、ジクロロメタン、およびＤＭＦについては、模型がバラバラになった。アセトンおよびメタノールでは、膨潤が観察された。模型は形状を保持していたが、容器を振るなどの外力を加えると一部形状を保持できなかった。
【００１７】
実施例２
鋳型の作製
階段状と、インペラ形状（φ１２０×７７ｍｍ（体積は２１３．１立方ｃｍ），φ８４×５３ｍｍ（体積は７３．１立方ｃｍ），φ６０×３８ｍｍ（体積は２６．６立方ｃｍ））の光造形模型を作製した。使用した樹脂は、エポキシ樹脂（バンティコ社製，ＳＬ７５６０）である。造形の積層ピッチは０．１５ｍｍで、造形後、表裏各１時間ポストキュアを行った。模型内部は、ハニカム形状とし、樹脂を抜くための穴はワックスで埋めた。
この光造形模型を、水ガラスを粘結剤とした市販の混練砂（秩父けい砂６号、水ガラス５％、以下「ガス砂」と略す）に埋め、ＣＯ２ガスを流して硬化させた。
焼成実験
得られた鋳型を焼成炉に入れ焼成を行った。加熱条件は、鋳型を室温（１０〜２０℃）で焼成炉に入れた後、１時間で所定の温度に昇温し、所定の温度に達した後、１時間保持し、室温まで炉内で冷却させる方法（以下「通常法」と略す）と、炉内で室温から急激に昇温し、一定温度に保持する方法（以下「ヒートショック法」と略す）を実施した。また、保持温度は、５００℃とした。
注湯実験
溶解は、高周波誘導炉を用い、鋳鉄（ＦＣ２５０相当）の溶湯を注湯した。
【００１８】
実施例１の結果により、無機酸化剤溶液、有機溶剤のどちらでも、光造形模型を劣化させることが可能であると考えられたが、鋳造現場での取り扱いを考え、実施例２では、ＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）を用いて実験を行った。
階段形状の模型をガス砂の砂型に埋め、模型内部にＤＭＦを約１０ｍＬ注入した。約１２時間保持したところ、樹脂はばらばらになっていた。スパチュラで樹脂を取り出した後、焼成を行った。焼成後の鋳型内部を切断して内部を観察した。模型内にＤＭＦの注入を行った鋳型と、行っていない鋳型を比較すると、注入を行った方が、内部の亀裂等が少なかった。また、ＤＭＦの注入を行っていない鋳型では、焼成をヒートショック法で行った場合は、鋳型が割れる場合があった。
インペラ形状（φ１２０×７７ｍｍ）について、同様に鋳型を作製し、ＤＭＦを２０ｍＬ注入した。３時間保持したところ、樹脂はばらばらになっていた。スパチュラで樹脂を取り出した後、通常法で焼成を行った。この鋳型に鋳鉄を約１，５００℃で注湯を行ったところ、模型を転写した形状の鋳造品が得られた。
【００１９】
実施例３
内部をハニカム形状にした光造形模型（φ１０×４０ｍｍ）の周囲に、セラミックシェルを作製した。セラミックシェルの作製には、コロイダルシリカ（Ｓｉ０２  ３０％）と溶融シリカのスラリーを作製し、このスラリーに光造形模型をデッピングした後、１層目はジルコンサンド、２層目以降はムライトサンドをサンディングし、合計７層のセラミックシェルを作製した。作製した鋳型内の光造形模型内部にジクロロメタンを３ｍＬ注入し、１２時間経過後、セラミックシェル内のジクロロメタンをドライヤーで蒸発させ、通常法（５００℃）で焼成を行ったところ、内部の光造形模型は消失し、鋳型を作製することができた。